«Ищут давно, но не могут найти…»

Нико­му до сих пор не ведо­мые эле­мен­тар­ные части­цы могут откры­вать экс­пе­ри­мен­та­то­ры (на уско­ри­те­лях, в кос­ми­че­ских лучах или еще как), ну а могут сна­ча­ла «на кон­чи­ке пера» пред­ска­зать тео­ре­ти­ки. Конеч­но, тео­ре­ти­ки неред­ко оши­ба­ют­ся. Или не оши­ба­ют­сяТак были пред­ска­за­ны пози­трон, ней­три­но, бозон ХиггсаНо не все пред­ска­зан­ные части­цы откры­ты. В этой ста­тье речь пой­дет о дра­ма­ти­че­ской судь­бе акси­о­нов.

В совре­мен­ной физи­ке эле­мен­тар­ных частиц важ­ней­шую роль игра­ют прин­ци­пы внут­рен­ней сим­мет­рии (инва­ри­ант­но­сти) и нару­ше­ния этой сим­мет­рии. Так, при замене частиц на анти­ча­сти­цы при инвер­сии зна­ков всех про­стран­ствен­ных коор­ди­нат и при обра­ще­нии хода вре­ме­ни зако­ны (урав­не­ния) могут сохра­нять­ся. Пер­вая сим­мет­рия обо­зна­ча­ет­ся бук­вой С (charge — заряд), вто­рая — Р (parity — чет­ность), тре­тья — Т (time — вре­мя). Ино­гда рас­смат­ри­ва­ют сра­зу несколь­ко пре­об­ра­зо­ва­ний и тогда гово­рят о CP-сим­мет­рии или CPT-сим­мет­рии. Или об их нару­ше­ни­ях. Несколь­ко деся­ти­ле­тий назад тео­ре­ти­ки осо­зна­ли серьез­ную про­бле­му в сво­их постро­е­ни­ях. CP-сим­мет­рия (извест­ная так­же как ком­би­ни­ро­ван­ная чёт­ность) в слу­чае силь­ных ядер­ных вза­и­мо­дей­ствий долж­на нару­шать­ся, а экс­пе­ри­мен­ты ниче­го подоб­но­го не пока­зы­ва­ют. Наблю­да­ет­ся лишь CP-нару­ше­ние в сла­бых вза­и­мо­дей­стви­ях. В стан­дарт­ной тео­рии нет ника­ко­го меха­низ­ма, кото­рый мог бы вос­пре­пят­ство­вать нару­ше­нию сим­мет­рии в силь­ных ядер­ных вза­и­мо­дей­стви­ях. Более того, будь эта сим­мет­рия стро­гой, наша Все­лен­ная ока­за­лась бы совер­шен­но не похо­жа на себя — в ней было бы поров­ну веще­ства и анти­ве­ще­ства. Было выска­за­но несколь­ко гипо­тез, что­бы это объ­яс­нить. Одной из самых пер­спек­тив­ных счи­тал­ся и счи­та­ет­ся меха­низм Печ­чеи — Квинн.

Эта модель вво­дит некую новую сим­мет­рию, а спон­тан­ное нару­ше­ние этой сим­мет­рии пред­по­ла­га­ет суще­ство­ва­ние новой части­цы — акси­о­на. Свой­ства ее пло­хо опре­де­ле­ны. Поэто­му есть боль­шой про­стор для фан­та­зии и поис­ков. Ясно толь­ко, что с обыч­ной мате­ри­ей акси­о­ны почти не вза­и­мо­дей­ству­ют и что они мас­сив­ны. А это как раз необ­хо­ди­мые тре­бо­ва­ния для любых частиц, из кото­рых мог­ла бы состо­ять тем­ная мате­рия — зага­доч­ная неви­ди­мая часть нашей Все­лен­ной, мно­го­крат­но доми­ни­ру­ю­щая над мате­ри­ей види­мой — звез­да­ми, галак­ти­ка­ми, меж­звезд­ным и меж­га­лак­ти­че­ским газом. Поэто­му гипо­те­за акси­о­нов вдвойне при­вле­ка­тель­на: мож­но разом убить двух зай­цев — вве­де­ни­ем одной новой сущ­но­сти объ­яс­нить сра­зу две загад­ки. Но, конеч­но, для это­го спер­ва надо заре­ги­стри­ро­вать эту сущ­ность (акси­он) в экс­пе­ри­мен­те, ведь одних тео­ре­ти­че­ских пред­ска­за­ний недо­ста­точ­но, как бы кра­си­вы они ни были.

Модель Печ­чеи — Квинн пред­ска­зы­ва­ет еще два важ­ных свой­ства акси­о­на — спин (он дол­жен быть нуле­вым) и внут­рен­нюю чёт­ность (она отри­ца­тель­на). Части­цы с таки­ми свой­ства­ми в кван­то­вой тео­рии поля назы­ва­ют­ся псев­до­ска­ля­ра­ми. При­ме­ром псев­до­ска­ля­ра явля­ет­ся ней­траль­ный пи-мезон, дав­но извест­ный и хоро­шо изу­чен­ный.

Акси­о­ны, как и все псев­до­ска­ля­ры, могут рас­па­дать­ся на два фото­на. И наобо­рот, два фото­на (один из кото­рых может быть вир­ту­аль­ным), встре­тив­шись, могут, хотя и с очень малой веро­ят­но­стью, обра­зо­вать акси­он. Кро­ме того, при­ду­ма­но мно­го дру­гих про­цес­сов, в кото­рых акси­о­ны могут рож­дать­ся, исче­зать или вза­и­мо­дей­ство­вать с обыч­ны­ми части­ца­ми. Соот­вет­ствен­но, есть мно­го мест и спо­со­бов их поис­ка.

Как уже ска­за­но, акси­о­ны фигу­ри­ру­ют сре­ди кан­ди­да­тов в части­цы тем­но­го веще­ства (и даже в паре-трой­ке луч­ших пре­тен­ден­тов на эту роль). Они мог­ли в боль­ших коли­че­ствах воз­ни­кать в ран­ней Все­лен­ной. Поэто­му есть идеи по аст­ро­но­ми­че­ским поис­кам релик­то­вых акси­о­нов. Неко­то­рые из них свя­за­ны с про­цес­сом При­ма­ко­ва.

Про­цесс При­ма­ко­ва — это пре­вра­ще­ние акси­о­на в ста­ти­че­ском маг­нит­ном или элек­три­че­ском поле (то есть при вза­и­мо­дей­ствии с вир­ту­аль­ным фото­ном) в реаль­ный фотон. И обрат­но. Напри­мер, релик­то­вые акси­о­ны, вле­тая в маг­ни­то­сфе­ры ней­трон­ных звезд, могут пре­вра­щать­ся в фото­ны (не все, конеч­но). Соот­вет­ствен­но, в спек­трах ней­трон­ных звезд мож­но най­ти осо­бен­ность, за кото­рую отве­ча­ет этот про­цесс. Но пока не нашли.

Белые кар­ли­ки могут испус­кать акси­о­ны и за счет это­го охла­ждать­ся (ведь акси­о­ны очень сла­бо вза­и­мо­дей­ству­ют с дру­ги­ми части­ца­ми и поэто­му могут выле­тать из недр звез­ды почти бес­пре­пят­ствен­но, в отли­чие от фото­нов). Соот­вет­ствен­но, тео­ре­ти­ки пыта­ют­ся рас­счи­тать вели­чи­ну эффек­та, а затем резуль­та­ты рас­че­тов свя­зать с наблю­де­ни­я­ми, кото­рые дают тем­пе­ра­ту­ру объ­ек­тов с извест­ны­ми воз­рас­та­ми. Одна­ко пока нет необ­хо­ди­мо­сти для вве­де­ния допол­ни­тель­но­го кана­ла уно­са энер­гии, то есть осты­ва­ния.

Насколь­ко реаль­ны поис­ки акси­о­нов на зем­ных уста­нов­ках? Здесь мож­но не пола­гать­ся на релик­то­вые части­цы. Если акси­о­ны суще­ству­ют, то звез­ды (в том чис­ле и наше Солн­це) могут их испус­кать. Есть несколь­ко про­цес­сов, при­во­дя­щих к тако­му необыч­но­му излу­че­нию. Во-пер­вых, акси­о­ны излу­ча­ют­ся за счет про­цес­са При­ма­ко­ва, а так­же акси­он-комп­то­нов­ско­го и акси­он-тор­моз­но­го излу­че­ния в плаз­ме сол­неч­но­го ядра. Эти про­цес­сы отве­ча­ют за основ­ную долю акси­он­ной све­ти­мо­сти, кото­рая может дости­гать про­цен­тов от пол­ной све­ти­мо­сти Солн­ца (боль­ше нель­зя, так как это вой­дет в про­ти­во­ре­чие с хоро­шо уста­нов­лен­ной стан­дарт­ной сол­неч­ной моде­лью). У таких акси­о­нов будет непре­рыв­ный энер­ге­ти­че­ский спектр. Во-вто­рых, акси­о­ны испус­ка­ют­ся ядра­ми раз­ных эле­мен­тов, пере­хо­дя­щи­ми из воз­буж­ден­но­го состо­я­ния в состо­я­ние с более низ­кой энер­ги­ей. Таких акси­о­нов не очень мно­го, зато у них очень узкое рас­пре­де­ле­ние по энер­ги­ям, а это поз­во­ля­ет при поис­ках «отстро­ить­ся» от фона.

Уста­нов­ки для поис­ка сол­неч­ных акси­о­нов осно­ва­ны на раз­ных прин­ци­пах. Преж­де все­го, это тот же самый эффект При­ма­ко­ва. Так реши­ли посту­пить в ЦЕРН. Они взя­ли один из тесто­вых маг­ни­тов для Боль­шо­го адрон­но­го кол­лай­де­ра и нашли ему луч­шее при­ме­не­ние — постро­и­ли сол­неч­ный акси­он­ный теле­скоп CAST.

Деся­ти­мет­ро­вый маг­нит направ­ля­ют на солн­це на вос­хо­де и зака­те (маг­нит мож­но немнож­ко дви­гать, и он сле­дит за солн­цем часа по три утром и вече­ром). Если от Солн­ца летят акси­о­ны, то, вза­и­мо­дей­ствуя с полем маг­ни­та, они пре­вра­ща­ют­ся в рент­ге­нов­ские фото­ны с энер­ги­ей в несколь­ко кило­элек­трон­вольт, близ­кой к типич­ной теп­ло­вой энер­гии частиц в цен­тре Солн­ца (дело в том, что ядра воз­буж­да­ют­ся за счет вза­им­ных столк­но­ве­ний, кото­рые про­ис­хо­дят с теп­ло­вой энер­ги­ей). Их-то и пыта­ют­ся заре­ги­стри­ро­вать. Пока не полу­ча­ет­ся. Но рабо­ты пла­ни­ру­ют раз­ви­вать и даже сде­лать новый маг­нит, луч­ше под­хо­дя­щий для подоб­ных опы­тов.

Совсем дру­гой прин­цип исполь­зо­ван в неболь­шом детек­то­ре в Бак­сан­ской обсер­ва­то­рии. Сре­ди ядер ато­мов в Солн­це есть крип­тон-83. Эти ядра испус­ка­ют акси­о­ны опре­де­лен­ной энер­гии. Если сде­лать детек­тор с таким же веще­ством (а оно по ряду при­чин очень хоро­шо под­хо­дит для детек­то­ров, луч­ше, чем, ска­жем, желе­зо, кото­ро­го на Солн­це намно­го боль­ше), то ато­мы крип­то­на в уста­нов­ке будут резо­нанс­но погло­щать такие акси­о­ны (ясное дело, что акси­о­ны, испу­щен­ные крип­то­ном-83 на Солн­це, как ключ к зам­ку под­хо­дят крип­то­ну-83 в уста­нов­ке — мож­но при­ве­сти ана­ло­гию с дву­мя оди­на­ко­вы­ми, настро­ен­ны­ми в резо­нанс стру­на­ми — коле­ба­ния одной из них заста­вят зву­чать дру­гую). Ядро воз­буж­да­ет­ся в резуль­та­те погло­ще­ния акси­о­на, а сни­ма­ет­ся воз­буж­де­ние испус­ка­ни­ем фото­на. Фотон погло­тит­ся в рабо­чем теле уста­нов­ки, что при­ве­дет к испус­ка­нию новых элек­тро­нов. Их-то и заре­ги­стри­ру­ют… Но пока, к сожа­ле­нию, уви­деть ниче­го не уда­лось.

Похо­жий прин­цип исполь­зо­ван в дру­гой рабо­те, где в каче­стве резо­нанс­ной мише­ни, настро­ен­ной на сол­неч­ные акси­о­ны, взя­то… всё желез­ное ядро Зем­ли. Точ­нее, толь­ко вхо­дя­щие в его состав ядра желе­за-57. Их мно­го и на Солн­це, и на Зем­ле. И если энер­гия, излу­ча­е­мая сол­неч­ны­ми ядра­ми желе­за в узкой спек­траль­ной линии (речь идет о линии в энер­ге­ти­че­ском спек­тре акси­о­нов), погло­ща­ет­ся зем­ным желе­зом, то неко­то­рая часть теп­ла, иду­ще­го из недр нашей пла­не­ты (а оно доста­точ­но хоро­шо изме­ре­но), может порож­дать­ся этим про­цес­сом. Это поз­во­ля­ет огра­ни­чить неко­то­рую часть воз­мож­но­го про­стран­ства пара­мет­ров акси­о­на — если бы его харак­те­ри­сти­ки попа­да­ли в исклю­чен­ную область, то теп­ло­вой поток из недр Зем­ли был бы выше наблю­да­е­мо­го.

В неко­то­рых тер­мо­ядер­ных реак­ци­ях про­тон-про­тон­но­го цик­ла, отве­ча­ю­ще­го за почти всё энер­го­вы­де­ле­ние Солн­ца, тоже может воз­ни­кать акси­он с фик­си­ро­ван­ной энер­ги­ей. Напри­мер, при сли­я­нии про­то­на с дей­тро­ном (ядром изо­то­па водо­ро­да — дей­те­рия) в ядре гелия-3 обыч­но появ­ля­ет­ся фотон с энер­ги­ей 5,5 МэВ. Но вме­сто фото­на может обра­зо­вать­ся акси­он с такой же энер­ги­ей, кото­рый бес­пре­пят­ствен­но поки­да­ет Солн­це, и его наде­ют­ся реги­стри­ро­вать зем­ные лабо­ра­то­рии.

А самый кра­си­вый метод поис­ка акси­о­нов име­ет и самое кра­си­вое назва­ние — «Свет сквозь сте­ну». Одна из уста­но­вок рабо­та­ет таким обра­зом. Мощ­ный импульс­ный лазер выда­ет пор­цию излу­че­ния, в то вре­мя как мощ­ный импульс­ный маг­нит созда­ет силь­ное поле. Если про­цесс При­ма­ко­ва рабо­та­ет и акси­о­ны суще­ству­ют, то часть фото­нов пре­вра­тит­ся в эти части­цы. Поток попа­да­ет на тол­стую непро­зрач­ную пла­сти­ну, фото­ны погло­ща­ют­ся, а акси­о­ны долж­ны сквозь нее прой­ти. За пла­сти­ной еще один импульс­ный маг­нит так­же созда­ет мощ­ное поле. Часть акси­о­нов долж­на пре­вра­тить­ся обрат­но в фото­ны. И их-то и пыта­ют­ся заре­ги­стри­ро­вать. Кра­си­во. Но сно­ва ниче­го пока не вид­но.

Лишь одна­жды участ­ни­ки ита­льян­ской кол­ла­бо­ра­ции PVLAS заяви­ли, что видят сиг­нал, соот­вет­ству­ю­щий акси­о­нам. Но через корот­кое вре­мя сами же участ­ни­ки экс­пе­ри­мен­та при­зна­ли, что поспе­ши­ли с выво­да­ми. Новые, более совер­шен­ные опы­ты пока­за­ли, что сиг­на­ла нет. Тем не менее акси­о­ны сре­ди при­ду­ман­ных частиц оста­ют­ся одни­ми из луч­ших кан­ди­да­тов на ско­рое обна­ру­же­ние. Поэто­му экс­пе­ри­мен­ты про­дол­жа­ют­ся.

Экс­пе­ри­мент CAST

Установка CAST.  Фото с сайта ЦЕРН
Уста­нов­ка CAST. Фото с сай­та ЦЕРН

Один из наи­бо­лее чув­стви­тель­ных акси­он­ных экс­пе­ри­мен­тов реа­ли­зо­ван в ЦЕРН. Метод реги­стра­ции осно­ван на обрат­ном эффек­те При­ма­ко­ва — на пре­вра­ще­нии акси­о­нов в фото­ны в маг­нит­ном поле (то есть при вза­и­мо­дей­ствии с вир­ту­аль­ным фото­ном). Источ­ни­ком акси­о­нов явля­ет­ся Солн­це. Они могут рож­дать­ся там в несколь­ких раз­ных про­цес­сах, часть из кото­рых рас­смот­ре­на выше, но основ­ным счи­та­ет­ся пря­мой эффект При­ма­ко­ва, когда фотон пре­вра­ща­ет­ся в акси­он в элек­три­че­ском поле ядра. Фото­ны в цен­тре Солн­ца рас­пре­де­ле­ны по спек­тру с энер­ги­я­ми поряд­ка несколь­ких кило­элек­трон­вольт. Поэто­му после пре­вра­ще­ния полу­ча­ют­ся рент­ге­нов­ские кван­ты.

Раз источ­ник — наше све­ти­ло, то уста­нов­ка долж­на «смот­реть на солн­це». Полу­ча­ет­ся свое­об­раз­ный акси­он­ный теле­скоп (его так и назы­ва­ют — аксио­скоп). Основ­ная деталь уста­нов­ки — боль­шой деся­ти­мет­ро­вый элек­тро­маг­нит. Он остал­ся от созда­ния БАК. Маг­нит­ное поле в нем име­ет доволь­но слож­ную струк­ту­ру. Но в основ­ном сило­вые линии ока­зы­ва­ют­ся пер­пен­ди­ку­ляр­ны оси маг­ни­та. Соот­вет­ствен­но, акси­он, дви­га­ясь вдоль длин­ной оси маг­ни­та, будет наи­бо­лее эффек­тив­но пре­вра­щать­ся в фото­ны.

Теле­скоп «смот­рит» на солн­це на вос­хо­де и на зака­те в тече­ние трех часов. Посколь­ку акси­о­ны прак­ти­че­ски сво­бод­но про­хо­дят через обыч­ное веще­ство (очень сла­бо с ним вза­и­мо­дей­ствуя), саму уста­нов­ку не надо вытас­ки­вать под ясное небо. Эффект дол­жен наблю­дать­ся и когда теле­скоп сто­ит где-нибудь в под­ва­ле. Но пока всё рав­но ниче­го не вид­но. Созда­те­ли экс­пе­ри­мен­та пла­ни­ру­ют раз­ви­вать этот под­ход. И даже сде­лать спе­ци­аль­ный маг­нит для новой уста­нов­ки (ведь исход­ный, напом­ним, созда­вал­ся изна­чаль­но для дру­гих целей). Посмот­рим, может быть, со вре­ме­нем удаст­ся заре­ги­стри­ро­вать сол­неч­ные акси­о­ны…

Эффект При­ма­ко­ва

Диаграмма эффекта Примакова («Википедия»)
Диа­грам­ма эффек­та При­ма­ко­ва («Вики­пе­дия»)

Назван по име­ни аме­ри­кан­ско­го физи­ка, родив­ше­го­ся в Одес­се, Ген­ри При­ма­ко­ва (Henry Primakoff, 1914–1983). Эффект состо­ит в том, что в ста­ти­че­ском элек­три­че­ском или маг­нит­ном поле (то есть вза­и­мо­дей­ствуя с вир­ту­аль­ны­ми фото­на­ми) фотон может пре­вра­щать­ся в неко­то­рые ней­траль­ные мас­сив­ные части­цы (пер­во­на­чаль­но эффект был рас­смот­рен для ней­траль­но­го пи-мезо­на). Акси­он — это лишь част­ный слу­чай. Посколь­ку речь идет не толь­ко о маг­нит­ном поле, но и об элек­три­че­ском, то пре­вра­ще­ние может про­изой­ти, напри­мер, при вза­и­мо­дей­ствии фото­нов доста­точ­но высо­ких энер­гий с атом­ны­ми ядра­ми. Про­цесс обра­тим, то есть акси­он (и подоб­ные ему псев­до­ска­ляр­ные части­цы) может в элек­три­че­ском или маг­нит­ном поле пре­вра­тить­ся в фото­ны. Это назы­ва­ют обрат­ным эффек­том При­ма­ко­ва.

Резо­нанс­ный поиск акси­о­нов. Экс­пе­ри­мент ADMX

Установка ADMX.  Фото с сайта physicsworld.com
Уста­нов­ка ADMX. Фото с сай­та physicsworld.com

Как мы пом­ним, акси­он счи­та­ет­ся одним из луч­ших кан­ди­да­тов на роль части­цы тем­ной мате­рии. Если это дей­стви­тель­но так, то наша Галак­ти­ка долж­на быть погру­же­на в обла­ко («гало») все­про­ни­ка­ю­щих, но срав­ни­тель­но мед­лен­ных релик­то­вых акси­о­нов, воз­ник­ших при Боль­шом взры­ве. В каж­дом куби­че­ском сан­ти­мет­ре вокруг нас долж­ны быть тыся­чи этих частиц. В маг­нит­ном поле они могут кон­вер­ти­ро­вать­ся в фото­ны, при­чем из-за мед­лен­но­го дви­же­ния все фото­ны будут рож­дать­ся с оди­на­ко­вой энер­ги­ей, соот­вет­ству­ю­щей мас­се акси­о­на (допле­ров­ский сдвиг вли­я­ет на энер­гию фото­на мало, посколь­ку ско­ро­сти акси­о­нов гало долж­ны быть отно­си­тель­но неве­ли­ки, сот­ни кило­мет­ров в секун­ду, ина­че они не удер­жи­ва­лись бы в Галак­ти­ке). Зна­чит, в под­хо­дя­щем по раз­ме­рам (крат­ном поло­вине дли­ны вол­ны) резо­на­то­ре, поме­щен­ном в маг­нит­ное поле, долж­ны посте­пен­но накап­ли­вать­ся фото­ны. К сожа­ле­нию, этот метод под­хо­дит лишь для радио­ча­стот­ных фото­нов с часто­той, близ­кой к часто­те элек­тро­маг­нит­но­го поля в мик­ро­вол­нов­ке, и энер­ги­ей поряд­ка несколь­ких мик­ро­элек­трон­вольт. С такой тех­ни­кой рабо­та­ют несколь­ко групп уче­ных, наи­бо­лее чув­стви­те­лен на сего­дня детек­тор ADMX. Поло­жи­тель­ных резуль­та­тов поис­ки пока не дали, одна­ко неко­то­рые зна­че­ния воз­мож­ной мас­сы акси­о­на и его кон­стан­ты свя­зи с фото­ном уже исклю­че­ны.

Новый экс­пе­ри­мент WISPDMX (WISP Dark Matter eXperiment, WISP — weakly interacting slim particles) исполь­зу­ет такой же под­ход. Для рабо­ты над ним были даже при­вле­че­ны радио­астро­но­мы, так как хоро­шие мето­ди­ки реги­стра­ции сла­бых сиг­на­лов на часто­тах поряд­ка гига­герц раз­ра­бо­та­ны имен­но в этой обла­сти.

Экс­пе­ри­мент PVLAS

Прототип установки PVLAS с сайта pvlas.ts.infn.it
Про­то­тип уста­нов­ки PVLAS с сай­та pvlas.ts.infn.it

Одно из важ­ных след­ствий акси­он­но­го эффек­та При­ма­ко­ва — воз­ник­но­ве­ние опти­че­ских свойств у ваку­у­ма в маг­нит­ном поле. Во-пер­вых, фотон с под­хо­дя­щей поля­ри­за­ци­ей, про­ле­тая сквозь попе­реч­ное маг­нит­ное поле, может кон­вер­ти­ро­вать­ся в акси­он и «исчез­нуть» для наблю­да­те­ля, то есть ваку­ум как бы «погло­ща­ет» часть све­та с опре­де­лен­ной поля­ри­за­ци­ей отно­си­тель­но направ­ле­ния пуч­ка и направ­ле­ния поля. Во-вто­рых, пре­вра­ще­ние фото­на в вир­ту­аль­ный акси­он и обрат­но при­во­дит к умень­ше­нию фазо­вой ско­ро­сти элек­тро­маг­нит­ной вол­ны — то есть при вклю­че­нии поля коэф­фи­ци­ент пре­лом­ле­ния ваку­у­ма для све­та с поля­ри­за­ци­ей, парал­лель­ной полю, начи­на­ет отли­чать­ся от еди­ни­цы. При этом вол­на с дру­гой, пер­пен­ди­ку­ляр­ной поля­ри­за­ци­ей не чув­ству­ет поля. Пер­вый эффект назы­ва­ет­ся ваку­ум­ным дихро­из­мом — изби­ра­тель­ным погло­ще­ни­ем све­та в зави­си­мо­сти от поля­ри­за­ции. Вто­рой носит назва­ние ваку­ум­но­го дву­лу­че­пре­лом­ле­ния. Оба эффек­та без эпи­те­та «ваку­ум­ный» и без вся­ко­го маг­нит­но­го поля мож­но лег­ко наблю­дать нево­ору­жен­ным гла­зом при про­хож­де­нии све­та через ани­зо­троп­ные кри­стал­лы, напри­мер исланд­ский шпат. В ваку­у­ме же для любой дости­жи­мой в лабо­ра­то­рии интен­сив­но­сти поля оба эффек­та будут очень сла­бы­ми. Но всё же попыт­ка детек­ти­ро­вать такие эффек­ты была, и она при­ве­ла к инте­рес­ным резуль­та­там. Груп­па физи­ков, про­во­див­шая экс­пе­ри­мент PVLAS, в кото­ром поля­ри­зо­ван­ный лазер­ный пучок све­та, сот­ни тысяч раз отра­жа­ясь от двух зер­кал, мно­го­крат­но про­хо­дил через силь­ное маг­нит­ное поле, заяви­ла о наблю­де­нии сла­бо­го ано­маль­но­го пово­ро­та плос­ко­сти поля­ри­за­ции. Это мож­но было объ­яс­нить поте­рей в ваку­у­ме одной из поля­ри­за­ци­он­ных ком­по­нент, то есть пре­вра­ще­ни­ем части све­та в акси­о­ны. Про­бле­ма, одна­ко, была в том, что пара­мет­ры акси­о­на, если счи­тать «винов­ни­ком сен­са­ции» имен­но его, не согла­со­вы­ва­лись с уже уста­нов­лен­ны­ми резуль­та­та­ми дру­гих экс­пе­ри­мен­тов, в част­но­сти CAST. К сожа­ле­нию, после более тща­тель­но­го ана­ли­за выяс­ни­лось, что наблю­дав­ший­ся эффект был арте­фак­том (то есть отно­сил­ся к изме­ри­тель­но­му при­бо­ру). Учет всех погреш­но­стей при наблю­де­ни­ях на пре­де­ле чув­стви­тель­но­сти экс­пе­ри­мен­таль­ной тех­ни­ки — очень слож­ная зада­ча.

Бак­сан­ский экс­пе­ри­мент

На Север­ном Кав­ка­зе, в тон­не­ле глу­бо­ко под горой Андыр­чи, рас­по­ло­же­на Бак­сан­ская ней­трин­ная обсер­ва­то­рия. Хотя поме­щать обсер­ва­то­рию под зем­лю кажет­ся на пер­вый взгляд нон­сен­сом, но ина­че невоз­мож­но защи­тить­ся от кос­ми­че­ских лучей, меша­ю­щих про­во­ди­мым здесь тон­ким иссле­до­ва­ни­ям. В тун­не­лях нахо­дит­ся несколь­ко уста­но­вок: при­бо­ры для наблю­де­ния ней­три­но, поис­ка ред­ких ядер­ных рас­па­дов и… акси­о­нов. Недав­но для акси­он­ных иссле­до­ва­ний был создан новый детек­тор. Он неболь­шой (с вед­ро), но очень эффек­тив­ный. Его прин­цип рабо­ты не свя­зан с эффек­том При­ма­ко­ва. Но как и CAST, он ловит акси­о­ны от Солн­ца.

Акси­о­ны могут испус­кать­ся воз­буж­ден­ны­ми ядра­ми самых раз­ных эле­мен­тов (конеч­но, ядро долж­но быть не слиш­ком про­стым, уж водо­род точ­но не будет ниче­го испус­кать; есть и ряд дру­гих, не все­гда сов­ме­сти­мых тре­бо­ва­ний). Энер­гия испу­щен­ных акси­о­нов зави­сит от свойств ядра и стро­го фик­си­ро­ва­на. Про­цесс может быть обра­щен, то есть акси­о­ны с дан­ной энер­ги­ей могут погло­щать­ся ядра­ми, кото­рые перей­дут в воз­буж­ден­ное состо­я­ние, а затем вер­нут­ся обрат­но в основ­ное состо­я­ние, испу­стив гам­ма-квант, при­чем с энер­ги­ей такой же, как у пер­во­на­чаль­но­го акси­о­на. Гам­ма-кван­ты в рабо­чем теле детек­то­ра потра­тят свою энер­гию на иони­за­цию веще­ства, то есть поро­дят сво­бод­ные элек­тро­ны и ионы. А их коли­че­ство мы можем под­счи­тать, нало­жив на рабо­чее веще­ство элек­три­че­ское поле и собрав высво­бо­див­ший­ся заряд на элек­тро­дах детек­то­ра. Чем боль­ше собран­ный заряд, тем боль­ше была энер­гия погло­тив­ше­го­ся гам­ма-кван­та.

Теперь надо выбрать веще­ство детек­то­ра, кото­рое (в этом весь трюк) одно­вре­мен­но долж­но стать и мише­нью с ядра­ми, кон­вер­ти­ру­ю­щи­ми акси­о­ны в гам­ма-кван­ты. Ведь собы­тия, инте­ре­су­ю­щие нас, ред­ки, и каж­дый воз­ник­ший гам­ма-квант дол­жен пой­ти в дело, вызвать иони­за­цию в рабо­чем веще­стве детек­то­ра, а не погло­тить­ся бес­по­лез­но где-то по пути. С одной сто­ро­ны, хочет­ся взять такое веще­ство, кото­ро­го мно­го на Солн­це. Но с тех­ни­че­ской точ­ки зре­ния это не очень удоб­но. К сча­стью, Солн­це боль­шое, и там раз­ных ядер доста­точ­но. Напри­мер, мож­но взять очень удоб­ный с точ­ки зре­ния созда­ния детек­то­ра крип­тон-83. С ним лег­ко рабо­тать. Ока­зы­ва­ет­ся, он очень хоро­шо под­хо­дит для реги­стра­ции акси­о­нов, испу­щен­ных таким же крип­то­ном-83 на Солн­це.

Детек­тор (газо­вая про­пор­ци­о­наль­ная каме­ра из сверх­чи­стой меди) уже начал рабо­тать и выда­вать пер­вые резуль­та­ты. Как и в слу­чае всех про­чих экс­пе­ри­мен­тов, акси­о­нов он пока не уви­дел. Но уста­нов­ку будут совер­шен­ство­вать, и кто зна­ет…

Ней­трон­ные звез­ды и акси­о­ны

Изображение с сайта  msnlv.com/neutron-stars.html
Изоб­ра­же­ние с сай­та msnlv.com/neutron-stars.html

Если Все­лен­ная запол­не­на акси­о­на­ми и рабо­та­ет эффект При­ма­ко­ва, то где-то про­те­ка­ют про­цес­сы пре­вра­ще­ния акси­о­нов в фото­ны и обрат­но в есте­ствен­ных маг­нит­ных полях. Нам про­ще уви­деть фото­ны. Поэто­му обыч­но рас­смат­ри­ва­ют имен­но про­цесс пре­вра­ще­ния акси­о­нов в кван­ты элек­тро­маг­нит­но­го излу­че­ния. В ито­ге мы долж­ны уви­деть в спек­тре источ­ни­ка лиш­нюю деталь.

Про­бле­ма в том, что мы зача­стую не зна­ем, как в точ­но­сти дол­жен был бы выгля­деть спектр без кон­вер­сии акси­о­нов. Поэто­му нуж­но най­ти доста­точ­но близ­кие объ­ек­ты с силь­ным маг­нит­ным полем, про спектр кото­рых извест­но доста­точ­но мно­го и кото­рые регу­ляр­но наблю­да­ют. Луч­ши­ми кан­ди­да­та­ми ока­за­лись ней­трон­ные звез­ды.

Отно­си­тель­но близ­ко (малые сот­ни пар­сек) рас­по­ло­же­но несколь­ко ней­трон­ных звезд с силь­ным маг­нит­ным полем — это объ­ек­ты так назы­ва­е­мой Вели­ко­леп­ной семер­ки. Релик­то­вые акси­о­ны могут пре­вра­щать­ся в маг­нит­ных полях ней­трон­ных звезд. В зави­си­мо­сти от пара­мет­ров акси­о­нов фото­ны могут ока­зы­вать­ся в раз­ных спек­траль­ных диа­па­зо­нах. В част­но­сти, в радио­ди­а­па­зоне. Источ­ни­ки Вели­ко­леп­ной семер­ки не явля­ют­ся радио­пуль­са­ра­ми. Это облег­ча­ет поиск «лиш­не­го» радио­из­лу­че­ния. Одна­ко пока ниче­го не вид­но. Может быть, акси­о­ны про­сто име­ют дру­гие пара­мет­ры.

Меха­низм Печ­чеи Квинн

Назван по име­нам Робер­то Печ­чеи (Roberto Peccei) и Хелен Квинн (Helen Quinn). Соглас­но их пред­по­ло­же­нию, нару­ше­ния СР-инва­ри­ант­но­сти в силь­ных вза­и­мо­дей­стви­ях не наблю­да­ет­ся бла­го­да­ря суще­ство­ва­нию осо­бо­го физи­че­ско­го поля, кото­рое застав­ля­ет исчез­нуть эффек­ты CP-нару­ше­ния дина­ми­че­ски таким же обра­зом, как вода соби­ра­ет­ся в самую глу­бо­кую часть тарел­ки с круг­лым дном, стре­мясь к мини­му­му потен­ци­аль­ной энер­гии. Посколь­ку физи­че­ские поля свя­за­ны с части­ца­ми, то модель Печ­чеи — Квинн пред­ска­зы­ва­ет суще­ство­ва­ние новой части­цы — акси­о­на.

«Свет сквозь сте­ну»

После появ­ле­ния пер­вых обна­де­жи­ва­ю­щих резуль­та­тов кол­ла­бо­ра­ции PVLAS было запу­ще­но несколь­ко экс­пе­ри­мен­тов по поис­ку акси­о­нов. Бла­го это отно­си­тель­но неболь­шие и недо­ро­гие опы­ты, в кото­рых прин­ци­пи­аль­но понят­но, что надо делать.

Идея сно­ва завя­за­на на эффект При­ма­ко­ва. Надо создать мощ­ный поток фото­нов, про­пу­стить их через силь­ное маг­нит­ное поле, а потом фото­ны и акси­о­ны раз­де­лить. После чего мож­но сно­ва исполь­зо­вать поле, что­бы пре­вра­тить акси­о­ны в фото­ны, кото­рые и будут реги­стри­ро­вать­ся.

Раз­де­ле­ние фото­нов и акси­о­нов осно­ва­но на том, что акси­о­ны пло­хо вза­и­мо­дей­ству­ют с веще­ством и таким обра­зом лег­ко «про­хо­дят сквозь сте­ну». Отсю­да и назва­ние экс­пе­ри­мен­та. Есть несколь­ко про­ек­тов тако­го типа.

Охла­жде­ние белых кар­ли­ков

Планетарная туманность NGC 2392. Центральная звезда со временем станет белым карликом. Фото из «Википедии».  Credit: NASA, ESA, Andrew Fruchter (STScI), and the ERO team (STScI + ST-ECF)
Пла­не­тар­ная туман­ность NGC 2392. Цен­траль­ная звез­да
со вре­ме­нем ста­нет белым кар­ли­ком. Фото из «Вики­пе­дии». Credit: NASA, ESA, Andrew Fruchter (STScI), and the ERO team (STScI + ST-ECF)

Ком­пакт­ные объ­ек­ты (белые кар­ли­ки и ней­трон­ные звез­ды) рож­да­ют­ся горя­чи­ми. Даль­ше они осты­ва­ют. Нали­чие внут­рен­них источ­ни­ков теп­ла может при­тор­мо­зить этот про­цесс, но все-таки это доро­га в одну сто­ро­ну. Ока­зы­ва­ет­ся, что изу­че­ние осты­ва­ния таких небес­ных тел может дать очень мно­го для Боль­шой Физи­ки. В част­но­сти, есть гипо­те­за, что акси­о­ны игра­ют важ­ную роль в осты­ва­нии белых кар­ли­ков — они рож­да­ют­ся внут­ри этих объ­ек­тов и поки­да­ют их, уно­ся энер­гию. Зна­чит, если мы не учтем этот про­цесс в рас­че­тах осты­ва­ния, то наши модель­ные кри­вые будут пред­ска­зы­вать более высо­кую тем­пе­ра­ту­ру.

Теперь зада­ча сво­дит­ся, с одной сто­ро­ны, к наи­бо­лее точ­но­му рас­че­ту моде­лей осты­ва­ния, а с дру­гой — к опре­де­ле­нию из наблю­да­е­мых тем­пе­ра­тур воз­рас­та белых кар­ли­ков. Если ока­жет­ся, что без акси­о­нов наблю­да­е­мые дан­ные не объ­яс­нить, то вот оно и откры­тие (пусть и кос­вен­ное)! Но пока, к сожа­ле­нию, и моде­ли недо­ста­точ­но точ­ные (и это глав­ное), и дан­ные наблю­де­ний дале­ки от иде­аль­ных. Так что и так «ухва­тить» акси­о­ны пока не вышло.

Воз­мож­ное наблю­де­ние сол­неч­ных акси­о­нов спут­ни­ком XMM-Newton

Орбита спутника XMM-Newton,  направление движения аксионов от Солнца и рентгеновские фотоны,  появившиеся в результате конверсии аксионов в земной магнитосфере.  Из статьи Фрейзера и др. (2014) arXiv:  1403.2436
Орби­та спут­ни­ка XMM-Newton, направ­ле­ние дви­же­ния акси­о­нов
от Солн­ца и рент­ге­нов­ские фото­ны, появив­ши­е­ся в резуль­та­те кон­вер­сии акси­о­нов в зем­ной маг­ни­то­сфе­ре. Из ста­тьи Фрей­зе­ра и др. (2014) arXiv: 1403.2436

Инте­рес­ная ста­тья появи­лась в 2014 году. Джордж Фрей­зер (George Fraser) и его соав­то­ры заяви­ли, что обна­ру­жи­ли кос­вен­ные дан­ные в поль­зу суще­ство­ва­ния акси­о­нов, исполь­зуя кос­ми­че­ский рент­ге­нов­ский теле­скоп XMM-Newton. Если от Солн­ца летят акси­о­ны, то они могут вза­и­мо­дей­ство­вать с маг­нит­ным полем Зем­ли и пре­вра­щать­ся в фото­ны за счет эффек­та При­ма­ко­ва. Сол­неч­ные акси­о­ны долж­ны давать фото­ны рент­ге­нов­ско­го диа­па­зо­на. Важ­но: что­бы их уви­деть, при­бор не дол­жен быть пря­мо направ­лен на солн­це. Ведь в маг­ни­то­сфе­ре успе­ва­ет про­изой­ти несколь­ко пре­вра­ще­ний (см. рис.). Посколь­ку вза­им­ная ори­ен­та­ция сило­вых линий гео­маг­нит­но­го поля, направ­ле­ния наблю­де­ний и Солн­ца меня­ет­ся в тече­ние года, то спут­ник дол­жен видеть, что фоно­вое излу­че­ние так­же немно­го меня­ет­ся в тече­ние года. Фон, свя­зан­ный с дале­ки­ми галак­ти­ка­ми, с меж­звезд­ным газом и тому подоб­ным, оста­ет­ся при­мер­но посто­ян­ным, а вот акси­он­ная часть долж­на варьи­ро­вать­ся. И такой эффект обна­ру­жен. Прав­да, пока совсем не оче­вид­но, что эффект надо объ­яс­нять имен­но акси­о­на­ми.

Если вы нашли ошиб­ку, пожа­луй­ста, выде­ли­те фраг­мент тек­ста и нажми­те Ctrl+Enter.

Связанные статьи

avatar
4 Цепочка комментария
1 Ответы по цепочке
0 Подписки
 
Популярнейший комментарий
Цепочка актуального комментария
5 Авторы комментариев
АлександрValerijAmperionМаксим БорисовНикита Авторы недавних комментариев
  Подписаться  
Уведомление о
Никита
Никита

вопрос про вычи­ты­ва­ние тек­стов, про­вер­ку орфо­гра­фии, авто­рас­ста­нов­ку пере­но­сов, итп. в тек­сте нашел несколь­ко опе­ча­ток, очень похо­жих на ошиб­ки копи-пас­ты из како­го-нибудь редак­то­ра.

суще­ство­ва­ние новой части­цы — ак-сио­на

с обыч­ной мате­ри­ей аксио-ны почти не

имен­но про­цесс пре­вра­ще­ния акси-онов

по поис­ку аксио-нов. Бла­го

Максим Борисов
Редактор
Максим Борисов

из пдф пере­но­сит­ся. Спел­лер, оче­вид­но, сло­ва «акси­он» не зна­ет

Amperion
Amperion

Оста­ёт­ся веч­ный вопрос из NYT (задан­ный перед закры­ти­ем всех аме­ри­кан­ских уско­ри­тель­ных про­грамм):

Сколь­ко нуж­но физи­ков, что­бы най­ти ниче­го? То бишь, ниче­го не най­ти?

Valerij
Valerij

РОЛЬ АКСИОНОВ В ОПТИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ. Поиск кан­ди­да­та на роль эле­мен­тар­ной части­цы – акси­о­на в раз­лич­ных физи­че­ских лабо­ра­то­ри­ях и цен­трах осу­ществ­ля­ет­ся на раз­ных участ­ках спек­тра от еди­ниц элек­трон-вольт (эВ) до 1МэВ. В сооб­ще­нии, доло­жен­ном авто­ром на кон­фе­рен­ции МГТУ им. Бау­ма­на по необ­ра­ти­мым про­цес­сам в опти­ке (январь, 2015), а так­же на семи­на­ре тео­ре­ти­че­ско­го отде­ла ИОФ РАН (фев­раль, 2015) авто­ром рас­смот­ре­ны опти­че­ские про­цес­сы, удо­вле­тво­ря­ю­щие необ­хо­ди­мо­му и доста­точ­но­му усло­вию при­сут­ствия акси­о­на в про­цес­сах вза­и­мо­дей­ствия све­то­во­го излу­че­ния и бари­он­но­го веще­ства. Соглас­но суще­ству­ю­щим тео­ре­ти­че­ским пред­ска­за­ни­ям таким усло­ви­ем явля­ет­ся акт рас­па­да акси­о­на на два фото­на. Осно­вы­ва­ясь на ранее опуб­ли­ко­ван­ных экс­пе­ри­мен­таль­ных резуль­та­тах сво­их работ, автор выдви­га­ет тезис, соглас­но кото­ро­му в слу­чае почти резо­нанс­но­го вза­и­мо­дей­ствия опти­че­ско­го излу­че­ния с ато­мар­ны­ми,… Подробнее »

Александр
Александр

Вот что непо­нят­но. Если акси­о­на­ми пыта­ют­ся объ­яс­нить асим­мет­рию веще­ство-анти­ве­ще­ство, то акси­о­нов долж­но быть ров­но столь­ко, сколь­ко не хва­та­ет анти­ве­ще­ства? А тем­ной мате­рии вро­де как 21%, а обыч­ной все­го 4%.

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (Пока оценок нет)
Загрузка...
 
 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: